Кріплення стінок свердловин

Конструкція свердловин. Конструкцією свердловини називається її технічний розріз, у якому вказано діаметри буріння за інтервалами глибин, діаметри та глибини опускання колон обсадних труб, а також місця та способи тампонування.

Тампонування свердловин — це заповнення кільцевого простору між низом колони обсадних труб і стінками свердловини щільним водонепроникним матеріалом (глиною, цементним розчином або ШСС — швидко схоплюючею сумішшю). Тампонування проводиться для ізоляції корисних копалин (твердих, рідких, газоподібних) проти доступу поверхневих та підземних вод; для ізоляції водоносного горизонту, що експлуатується.

Проектна конструкція свердловини складається на основі гео­логічного розрізу з урахуванням фізико-механічних властивостей гірських порід, глибини свердловини, необхідного кінцевого діаметра свердловини, мети проходки свердловини та способів її буріння. За проектним геологічним розрізом складання конструкції свердловини ведеться знизу вгору, починаючи з обгрунтування кінцевого діаметра свердловини.

Фізико-механічні властивості порід звичайно розглядаються при побудові конструкції з боку стійкості порід у стінках свердловини, водозбагаченості та можливого поглинання промивальної рідини (за наявності відкритих тріщин, карстових проявів і необхідності перекриття окремих горизонтів обсадними трубами), а також з урахуванням буримості та виходу керна (при колонковому бурінні).

Проектуючи буріння свердловин у слабостійких породах слід передбачати використання промивки глинистими розчинами або закріплення стінок свердловини обсадними трубами залежно від способу буріння. За необхідності ізоляції одного горизонту від інших передбачається тампонування колони обсадних труб глиною або цементом.

Кінцевий діаметр вибирається залежно від мети проходки свердловини. При розвідці твердих корисних копалин кінцевий діаметр свердловини визначається за вимогами Державної комісії запасів корисних копалин (ДКЗ) при Раді Міністрів до опробування даного родовища. При колонковому бурінні в міцних стійких породах кінцевий діаметр свердловини встановлюється залежно від того, яким стираючим матеріалом буриться корисна копалина. При бурінні алмазами найвідповіднішими є діаметри 36, 46 і 59 мм. При дробовому бурінні кінцевий діаметр повинен бути не меншим за 91 мм (бажано ПО мм) внаслідок того, що й для малих діаметрів частішають випадки розклинювання керна й неповний його вихід. Буріння під час розвідки вугільних родовищ, мінеральних солей та інших корисних копалин проводиться часто твердосплавними корон­ками. При розвідці вугільних родовищ кінцевий діаметр свердловини має бути не меншим ніж 76 мм, при розвідці мінеральних солей — не меншим ніж 92 мм, але слід зауважити, що в Донбасі для вугілля ефективно використовується буріння коронками діаметром 59 мм. Якщо отримання керна по пустій породі необов'язкове, то слід передбачати буріння таких порід суцільним забоєм.

Кінцевий діаметр свердловини на воду визначається діаметрами фільтра та габаритами водопідйомника, які, в свою чергу, залежать від експлуатаційної продуктивності свердловини. Для свердловин малої продуктивності (до 10 м3/год) кінцевий діаметр береться 100—150 мм, для свердловин середньої продуктивності (до 50 м3/год) — 200—250 мм, для високопродуктивних свердловин — 250—400 мм.

За складної геологічної будови або недостатнього дослідження території проектний кінцевий діаметр залишається запасним, а вся конструкція свердловини збільшується на один суміжний діаметр.

Після визначення кінцевого діаметра свердловини потрібно намітити ділянки, які потребують закріплення стінок свердловини обсадними трубами, вибрати розміри обсадних труб і намітити глибини їх опускання.

Обираючи конструкцію свердловини слід керуватися такими міркуваннями: конструкція свердловини повинна бути найпростішою, тобто мати найменшу кількість обсадних колон різних діаметрів; діаметри свердловин повинні бути якнайменшими. В цьому випадку зростає швидкість проходки, зменшується витрата електроенергії й стираючих матеріалів, знижується вартість робіт.

Залежно від кількості обсадних колон конструкція свердловини називається одноколонною, двоколонною, триколонною тощо. Колони обсадних труб встановлюють у свердловині концентрично, й кожна з них у більшості випадків виводиться на поверхню (рис. 83).

За призначенням колони мають різну назву. Перша (/) називається напрямною. Вона утворює міцне устя свердловини й забезпечує необхідний напрям свердловини при бурінні, а також опусканні наступних обсадних колон. Перша колона встановлюється на глибину 4—30 м. Друга колона труб (2) називається кондуктором. Вона призначена для перекриття слабких нестійких порід у верхніх зонах, а також для забезпечення буріння свердловини в заданому напрямку. Глибина установки башмака колони змінюється від 30 до 300 м і до 700—800 м. Третя колона (5) називається проміжною, а також технічною, водозакривною (колона перекриває водоносний горизонт). Проміжна колона труб призначається для розділення верств і закріплення стінок свердловини в нестійких породах. Колони труб, що вставляються послідовно одна в одну, складають так званий

трубний телескоп. Технічні ко­лони використовуються в свер­дловинах технічного призна­чення (для прокладки кабеля, вентиляції тощо).

Кількість проміжних колон визначається виходом колони, яка, в свою чергу, залежить від геологічних умов, необхідності ізоляції певних ділянок сверд­ловини, а також від способу буріння. Виходом колони нази­вається проміжок ділянки свер­дловини (від башмака поперед­ньої колони), яка закріплю­ється колоною труб одного ді­аметра. Чим більше вихід ко­лон, тим простіша конструкція свердловини.

При ударно-канатному бу­рінні величина виходу колони звичайно змінюється від 30 до 70 м для перших (початкових) колон, від 30 до 50 м для наступних; при колонковому бурінні з глинистою промивкою значно зростає — до 100 м і більше. Башмаки обсадних труб мають бути на 2—3 м опущені в щільні породи. При встановленні колони в породах, які підстилають піски, використовують глинисті, цементні тампони.

Колони обсадних труб необхідно передбачати лише для: закріп­лення наносів та інших нестійких порід, що залягають зверху, та устя свердловини для запобігання його розмиву й організованого відводу промивальної рідини, а також для належного напрямлення стовбура свердловини (кондуктор, напрямна труба); перекриття зон порушених і роздрібнених порід, які погано закріплюються глинистим розчином і через власну потужність не можуть бути цілком зацементовані; перекриття зон галечників, валунних утворень, слабких конгломератів і брекчій; виконання тампонування; закриття стінок свердловини перед перетином м'якої корисної копалини, що забезпечить найкращий відбір керна та шламу; при переході з товщі м'яких порід у потужну товщу міцних порід; при перетині свердловиною підземних гірських виробок.

При визначенні глибини спуску колони обсадних труб необхідно: установку напрямних труб намічати на невелику глибину, яка залежить від глибини залягання першого стійкого пласта породи; глибину спуску першої колони труб (кондуктора) встановлювати, виходячи з необхідності перекриття нестійких, водоносних, тріщи­нуватих або інших порід, які можуть спричинити ускладнення під час буріння.

Після розробки конструкції свердловини визначають діаметри породоруйнівного інструменту для буріння свердловини під обсадні труби.

Дослідження, які проводилися, свідчать, що можна розробити середні приблизні конструкції свердловин на тверді корисні копалини, при цьому геологічний розріз враховується посередньо — кількістю обсадних колон, які опускаються в свердловину даної конструкції. Приблизні конструкції свердловин, які рекомендуються ВІТРом, слід максимально спрощувати з урахуванням згаданих умов.

При виборі конструкції свердловин в умовах багаторічної мерзлоти необхідно брати до уваги деякі специфічні вимоги, а конструкція свердловини має бути найпростішою; для свердловин обертального буріння з промиванням не слід проектувати напрямну з металевих обсадних труб, оскільки це сприяє відтаванню мерзлоти й руйнуванню устя свердловини (напрямну слід робити у вигляді чотиригранної дерев'яної труби з дошок завтовшки 50 мм, з ізоляцією стиків у кутах смолою або варом зовні і всередині); зазор між стінками свердловини й напрямною необхідно засипати сухим піском з галькою з наступним їх заморожуванням. Технологія буріння та обсадки трубами при ударно-канатному бурінні звичайні, за винятком необхідності засипки в свердловини кухонної солі для запобігання прихвату інструменту. При бурінні свердловин роторним способом вода в глинистому розчині або для промивки не повинна бути дуже мінералізованою, а температура її має бути низькою. Це має вирішальне значення, тому що мерзлота дуже чутлива до найменших порушень сольового режиму. Наприклад, при температурі мерзлоти нижче —2°С промивання свердловини слід проводити рідиною з температурою від -0,5 до -3°С й нижче. Замість цементного розчину необхідно використовувати не прісну воду, а спеціальний сольовий розчин.

Обсадні труби призначаються для: закріплення стінок свердловин у нестійких породах (піски, пливуни, галечники та ін.; ізоляції водоносних і нафтоносних горизонтів; перекриття певних ділянок свердловини (тріщинуватих і роздрібнених порід, зон, які поглинають промивальну рідину тощо); закріплення устя свердловини.

Для кріплення розвідкових свердловин звичайно використовуються суцільнотягнуті, безшовні з високоякісної сталі обсадні труби. Способи з'єднання обсадних труб зображено на рис. 84: а — розтрубне з'єднання, коли один кінець труби розширений і має внутрішню різьбу, а другий — зовнішню. При згвинчуванні труб колона має гладку внутрішню поверхню; б — ніпельне з'єднання, за якого кінці труб мають внутрішню різьбу і з'єднуються за допомогою ніпеля. Колона має гладку зовнішню поверхню; в — муфтове з'єднання, кінці труб мають зовнішню різьбу і з'єднуються за допомогою зовнішніх муфт. Колона має гладку внутрішню поверхню.

Труби розтрубного з'єднання (труба в трубі) належать до безніпельних. Обсадні труби великого діаметра з'єднуються в колону муфтами або зварюються. Досягнуто хороших результатів при зварюванні труб напівавтоматами в середовищі вуглекислого газу.

Труби позначаються у вигляді дробу, наприклад 146/136 (чисель­ник означає зовнішній, знаменник — внутрішній діаметр, мм). Труби ніпельного з'єднання мають довжину 2,5—4,5 м; муфтового — 6—13 м.

Труби ніпельного з'єднання застосовуються в основному для колонкового буріння. При бурінні мілких колонкових свердловин використовуються також і безніпельні труби, які широко застосову­ються для кріплення свердловин при алмазному бурінні. Обсадні муфтові труби використовуються при ударно-механічному та обер­тальному бурінні свердловин на нафту та газ, а також для буріння гідрогеологічних свердловин (табл. 8).

Таблиця 8. Обсадні муфтові труби

При роторному й турбінному бурінні використовують обсадні труби, які виготовляють із безшовних труб діаметром від 114 до 508 мм, завдовжки 8 і 12 м. Товщина стінок змінюється від 6 до 12 мм. З'єднання труб муфтове.

При бурінні свердловин на воду доцільно застосовувати полі­етиленові та азбоцементні труби. Кріплення свердловин полі­етиленовими трубами можливе при бурінні як роторним, так і ударним способами (при вільному опусканні) в різних гідро­геологічних умовах до глибин 150 м. Поліетиленові труби випуска­ються двох марок: ПВП і ПНП. За рівних умов ПНП менш міцні, але більш еластичні, ніж ПВП. Труби марки ПВП випускаються діаметрами від 10 до 300 мм і завдовжки 6, 8, 10, 12 м, а труби ПНП — діаметром від 6 до 150 мм і завдовжки 9, 10 м. Найдоцільніше та найзручніше з'єднання поліетиленових труб зварюванням устик.

Кріплення свердловин азбоцементними трубами не допускається в районах, мало досліджених у гідрогеологічному відношенні; при перетині водоносних горизонтів, які важко піддаються глинізації або містять агресивні води відносно азбоцементу; у валунно-галечникових відкладах, а також у сейсмічних районах.

Обладнання обсадних колон. До нього належать трубні башмаки, зворотні клапани, пробки тощо.

Трубні башмаки призначаються для охорони нижньої частини колони від зминання під час спуску й для вирівнювання стінок свердловини. Під час опускання колони з обертанням застосовується фрезерний башмак (рис. 84, г), під час спускання з ударами — гладкий башмак (рис. 84, д). У верхній частині башмака є внутрішня різьба для нагвинчування на труби. Башмаки виготовляються із сталі, нижня частина їх може бути армована твердими сплавами.

Зворотний клапан застосовується під час спускання довгих і важких колон, якщо вони мають велику вагу, що може призводити до обриву колони — з одного боку, з іншого — до надзвичайного навантаження на лебідку бурового станка. Станок встановлюється в нижньому кінці колони, яка опускається і являє собою пристосування, яке складається із сідла й власне клапана, який відкривається вниз. Крім навантаження колони зворотний клапан сприяє очищенню свердловини внаслідок того, що під час спускання закритої знизу колони відбувається інтенсивне витиснення зі свердловини розчину, що збільшує винесення частинок породи, яка є в розчині. Наявність зворотного клапана забезпечує в необхідний момент промивку свердловин через колону.

Пробка, яка ставиться замість зворотного клапана, використо­вується під час спускання гладких обсадних труб колонкового буріння. Приладдя до обсадних труб. До нього відносять: простий трубний хомут, лафетний хомут, елеватори різної конструкції, центрувальні пристрої, гаки, снаряди, домкрати тощо. Простий хомут, лафетний хомут і елеватори застосовуються для утримання труб у підвішеному стані під час спускання та піднімання обсадних колон.

Простий залізний хомут (рис. 85) складається з двох половин, з'єднаних хомутами.

Лафетний хомут (рис. 86) застосовується під час спускання та піднімання важких колон обсадних труб. Підтримує обсадні труби в підвішеному стані за допомогою клинів 4, поставлених у конусній розточці сталевого корпусу 5 лафетного хомута.

Елеватори (рис. 87) застосовуються за­мість трубних хомутів. Захватна частина 1 елеватора змонтована на шарнірі 4 і обладнана автоматично діючою заскочкою і скобою 2. Для підвішування до гака елеватор має два штропи 3. Будова елеватора дає змогу виконувати підйом і спуск колон значно швидше, ніж за допомогою хомутів.

При роторному бурінні для утримуван­ня наперевіс колони обсадних труб під час спускання в свердловину застосову­ються елеватори й клинові захвати (спайдери) пневматичні й прості.

Центрувальні пристрої призначаються для центрування обсадних труб під час їх згвинчування та розгвинчування (центратор ЦОТ-1 тощо).

Для згвинчування й розгвинчування труб застосовують шарнірні (рис. 88), а також ланцюгові ключі.

Забивна головка призначається для запобігання руйнуванню верхнього кінця колони обсадних труб під час посадки її забиванням. По верхній частині головки ударяють забивним снарядом. Він складається зі штанги з різьбовим верхнім кінцем, нижче якого міститься сталеве кільце. Вага снаряду становить 350—1300 кг.

Вибивний снаряд призначається для витягування із свердловини муфтових труб способом вибивання. Снаряд складається зі штанги з різьбою на верхньому кінці й масивним сталевим кільцем на нижньому. Штанга вільно проходить крізь отвір вибивної головки, яка загвинчується у верхню муфту колони, що витягується.

Для зривання прихвачених і витягнення обсадних і бурильних труб під час ліквідації аварій або після закінчення буріння свердловин використовуються гвинтові й гідравлічні домкрати. Гідравлічні домкрати (рис. 89) відрізняються великою вантажопідйомністю (40—100 т і більше) й дають змогу за манометром визначати зусилля під час піднімання труб.

Процес закріплення свердловин обсадними трубами та їх витягання зі свердловин. Обсадні труби перед спуском у свердловину підлягають ретельній перевірці. Перевіряють внутрішній і зовнішній діаметри труб, прямолінійність, а також стан різьби труб і муфт.

Сталеві труби. Залежно від діаметра й способу буріння свердловин застосовують вільний спуск колони обсадних труб у свердловину, спуск колони труб з обертанням, а також із забивкою та обертанням. Перший спосіб застосовується на інтервалі, який закріплено трубами великого діаметра, а також у незакріпленій свердловині, пройденій у стійких породах трубами діаметром, який перевищує зовнішній діаметр башмака і муфт колони; другий і третій — при ударно-механічному бурінні свердловин. Спуск колони з обертанням виконується слідом за вибурюваним забоєм свердловини в нестійких породах. Спуск колони з забивкою та обертанням виконується попереду забою свердловини. Такий спосіб спуску обсадних труб застосовується при проходці пливунів, сипких порід і при спеціальному випробуванні. При просуванні колони порода вибирається з неї спеціальними буровими інструментами (желонкою тощо).

На практиці найчастіше використовується вільний спуск коло­ни в свердловину завдяки тому, що витрати часу на кріплення сті­нок свердловини найменші, а ускладнення відбуваються порівняно рідко.

В ряді випадків Для економії обсадних труб при вільному спуску в свердловини застосо­вується їх установка без виве­дення колони до устя свердло­вини. Досягається це шляхом відгвинчування або вирізання труб на певній глибині й витя­ганням із свердловини верхньої частини колони. Значна кіль­кість глибоких свердловин має потайні колони.

Поліетиленові труби. Існує декілька способів опускання колони поліетиленових труб у свердловину, наповнену рідиною, питома вага якої більша, ніж питома вага матеріалу труб: заливання всередину колони баластної рідини (води або глинистого розчину), для чого в нижній частині труби встановлюється зворотний клапан або заглушка; занурення з примусовим затисканням домк­ратами або поліспастом; обважнення низу колони вантажем, більшим, ніж виштовхувальна сила в кінцевий момент занурення. Найчастіше застосовується останній метод як найпростіший і досить ефективний. Вантажем може використовуватися сталева обсадна труба діаметром 219 мм і завдовжки 6—8 м, яка приєднується знизу до першої поліетиленової труби за допомогою конусоподібного різьбового з'єднання. Інші поліетиленові труби з'єднуються встик. Лише на верхньому кінці останньої труби нарізується конічна різьба за ГОСТ 632—57 для можливості з'єднання зі стандартною головкою.

Витягання обсадних труб із сверд­ловини. Виконується при ліквідації свердловини або аварії. Найтрудомісткішою операцією при підніманні обсадних труб є зрив колони з місця. Тому перед початком підйому звичайно виконується обертання труб у свердловині для звільнення їх від зчеплення з породою, а потім починають піднімання колони лебідкою бурового станка. При сильному прихвачуванні труб підйом їх виконується домкратом або вибивним снарядом. Після зриву колони подальший підйом виконується лебідкою станка.

Для витягання та примусового спускання обсадних труб рекомен­дується застосовувати віброзбуджувачі (вібратори) й вібромолоти.

Техніка безпеки при закріпленні стінок свердловин. Перед спусканням або підніман­ням колон обсадних труб старший буровий майстер повинен перевірити справність вишки, обладнання, лебідки, талевої системи, інструменту.

При спусканні й підніманні обсадних труб забороняється: допускати вільне коливання секції колони обсадних труб; утримувати труби канатом; затягувати й виносити труби без використання трубного візка. Перед обертанням прихваченої колони труб вручну ключами або іншими інструментами буровий майстер повинен спочатку вибрати слабину підйомного каната, а при обертанні труб бути напоготові, щоб у будь-який момент загальмувати вільне опускання. Забороняється витягати труби при одночасній роботі вибивного снаряда і домкрата.

Поиск по сайту: